一种多孔导电材料及感压外壳及压力测量装置的制作方法

本发明属于压力测量，具体涉及一种适用于井下围压测量的多孔导电材料、感压外壳及压力测量装置。

背景技术：

1、常规传感器一般由敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源四部分组成。敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量信号，转换元件将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号，变换电路负责对转换元件输出的电信号进行放大调制，转换元件和变换电路一般还需要辅助电源供电。压力传感器是使用最为广泛的一种传感器，传统的压力传感器以机械结构型的器件为主，以弹性元件的形变指示压力，但这种结构级大、质量重，不能提供电学输出，应用场景受到很大的限制。尤其是在一些极端环境下很难实现对环境压力的检测。

2、近些年来，随着半导体技术的发展，半导体压力传感器也应运而生。其特点是体积小、质量轻、准确度高、温度特性好。特别是随着mems技术的发展，半导体传感器向着微型化发展，功耗更小，可靠性更高。但是其制备工艺复杂，精度要求高，使得该类型的压力传感器加工制备成本居高不下。同时，由于对基础技术和制造工艺的研究不够，一些影响可靠性的关键技术难以突破，如精密加工技术、密封技术、焊接技术等，造成微型化压力传感产品的可靠性较差，制约了现有微型化传感器的市场化应用。

3、传感部件直接决定了压力传感器的传感方式、传感范围和灵敏程度。微型化后的压力传感部件采用mems工艺制备，同样具有造价昂贵、加工技术要求高的问题，很难实现一些大批量使用的测试场景。近些年来开发的多孔导电柔性传感部件具有成本低、加工难度小、传感范围可控的优势。因此，该类压力传感部件被广泛应用在可穿戴设备中，实现灵敏的压力传感。然而，现有的多孔导电柔性材料普遍存在大传感范围和高传感灵敏度无法兼顾的问题。现有以多孔导电柔性材料作为传感部件的传感器往往无法用于井下围压测量，其原因在于井下围压测量的测量环境恶劣、井下围压压力高且井下围压测量对灵敏度要求高，受限于现有传感器的结构以及多孔导电柔性材料的性能，现有以多孔导电柔性材料作为传感部件的传感器对井下围压测量的适应性差。目前，在井下围压测量中依旧普遍使用半导体压力传感器，导致井下围压测量测量成本高昂。

4、综上所述，目前仍需要对压力测量相关技术方案进行研究，以实现低成本、高精度井下围压测量。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供适用于井下围压测量的的多孔导电材料、感压外壳及压力测量装置。

2、为了实现上述目的，本发明提供了如下五方面的技术方案。

3、第一方面，本发明提供了一种多孔导电材料，其中，该多孔导电材料包含多孔骨架和分布于多孔骨架孔隙内的纳米级导电材料；

4、其中，所述多孔骨架以泊松比为0.45-0.55的不可压缩材料为基质，多孔骨架的基质中分布有纳米级导电材料；多孔骨架具有微米级孔隙和分布于微米级孔隙之间的纳米级孔隙。

5、本发明提供的多孔导电材料作为压力传感层材料使用，能够兼顾大压力传感范围和高传感灵敏度。

6、根据第一方面的优选实施方式，其中，多孔骨架的微米级孔隙孔隙度为10％-60％。

7、根据第一方面的优选实施方式，其中，多孔骨架的纳米级孔隙孔隙度为10％-20％。

8、根据第一方面的优选实施方式，其中，多孔骨架的微米级孔隙的孔径为1μm-1000μm。

9、根据第一方面的优选实施方式，其中，多孔骨架的纳米级孔隙的孔径为1nm-1000nm。

10、根据第一方面的优选实施方式，其中，以多孔骨架的质量为100％计，多孔骨架的基质中分布的纳米级导电材料的质量含量为10％-75％。

11、根据第一方面的优选实施方式，其中，以多孔骨架的孔隙体积为100％计，分布于多孔骨架孔隙内的纳米级导电材料的体积含量为20％-50％。

12、根据第一方面的优选实施方式，其中，所述多孔骨架以泊松比为0.49-0.50的不可压缩材料为基质。

13、根据第一方面的优选实施方式，其中，所述多孔骨架为柔性高分子材料；

14、进一步地，所述多孔骨架可以但不限于为硅胶材料或者橡胶材料；

15、根据第一方面的优选实施方式，其中，纳米级导电材料可以但不限于包括碳基导电材料和金属基导电材料中的至少一种；进一步地，纳米级导电材料可以但不限于包括石墨烯材料、碳纳米管材料、金材料、银材料和铜材料中的至少一种。

16、根据第一方面的优选实施方式，其中，纳米级导电材料可以但不限于包括颗粒材料、片状材料和纤维材料中的至少一种。

17、根据第一方面的优选实施方式，其中，纳米级导电材料可以但不限于包括碳纳米管纤维、石墨烯片层、银纳米线、银纳米颗粒和铜纳米片中的至少一种。

18、根据第一方面的优选实施方式，其中，纳米级导电材料的最大维度尺寸为100nm。

19、根据第一方面的优选实施方式，其中，分布于多孔骨架孔隙内的纳米级导电材料和多孔骨架的基质中分布的纳米级导电材料可以选用同一种也可以选用不同种。

20、根据第一方面的优选实施方式，其中，可以根据测量灵敏性与测量范围的需求，对孔隙和导电颗粒的参数例如尺寸、形状、含量和分布等进行调整。

21、第二方面，本发明提供了第一方面提供的多孔导电材料的制备方法，其中，该方法包括：

22、将所述不可压缩材料制备用有机溶液、纳米级导电材料、制造纳米级孔隙用牺牲模板、制造微米级孔隙用牺牲模板混合后固化成型；

23、固化成型的产物进行制造纳米级孔隙用牺牲模板、制造微米级孔隙用牺牲模板去除，得到多孔骨架；

24、将多孔骨架与纳米级导电材料的悬浮液混合，经干燥得到所述多孔导电材料。

25、根据第二方面的优选实施方式，其中，所述制造纳米级孔隙用牺牲模板选用纳米级颗粒材料；进一步地，所述制造纳米级孔隙用牺牲模板包括但不限于纳米级水溶性无机盐颗粒、纳米级水溶性有机颗粒和纳米酸溶性金属颗粒中的一种或两种以上的组合；例如，纳米级氯化钠颗粒、纳米级尿素颗粒、纳米级镍颗粒。

26、根据第二方面的优选实施方式，其中，所述微米级孔隙用牺牲模板选用微米级颗粒材料或者多孔网络结构材料；进一步地，所述微米级孔隙用牺牲模板包括但不限于微米级水溶性无机盐颗粒、微米级水溶性有机颗粒、微米酸溶性金属颗粒和酸溶性泡沫金属中的一种或两种以上的组合；例如，微米级氯化钠颗粒、微米级尿素颗粒、微米级镍颗粒、微米级蔗糖颗粒、泡沫镍网、泡沫铝网。

27、根据第二方面的优选实施方式，其中，将所述不可压缩材料制备用有机溶液、纳米级导电材料、制造纳米级孔隙用牺牲模板、制造微米级孔隙用牺牲模板混合包括：

28、将所述不可压缩材料制备用有机溶液、纳米级导电材料混合得到第一混合物；

29、将制造纳米级孔隙用牺牲模板与制造微米级孔隙用牺牲模板均匀排布，进而将第一混合物浇注其中；其中，所述制造纳米级孔隙用牺牲模板为纳米级颗粒材料，所述制造微米级孔隙用牺牲模板选用微米级颗粒材料。

30、根据第二方面的优选实施方式，其中，将所述不可压缩材料制备用有机溶液、纳米级导电材料、制造纳米级孔隙用牺牲模板、制造微米级孔隙用牺牲模板混合包括：

31、将所述不可压缩材料制备用有机溶液、纳米级导电材料、制造纳米级孔隙用牺牲模板混合得到第二混合物；其中，所述制造纳米级孔隙用牺牲模板为纳米级颗粒材料；

32、制造微米级孔隙用牺牲模板用所述第二混合物浸润；其中，所述制造微米级孔隙用牺牲模板选用多孔网络结构材料。

33、根据第二方面的优选实施方式，其中，所述不可压缩材料制备用有机溶液可以但不限于选用溶解有不可压缩材料预聚物和固化剂的有机溶液。

34、根据第二方面的优选实施方式，其中，制造纳米级孔隙用牺牲模板和制造微米级孔隙用牺牲模板的绝对体积的和为不可压缩材料制备用有机溶液和纳米级导电材料体积和的10-70％。

35、根据第二方面的优选实施方式，其中，纳米级导电材料质量为不可压缩材料制备用有机溶液质量的1-50wt％。

36、根据第二方面的优选实施方式，其中，将多孔骨架与纳米级导电材料的悬浮液混合可以但不限于通过将多孔骨架浸没在纳米级导电材料的悬浮液的方式实现。

37、第三方面，本发明提供了第一方面提供的多孔导电材料的制备方法，其中，该方法包括：

38、将所述不可压缩材料制备用有机溶液、纳米级导电材料混合，得到3d打印用浆料；

39、使用所述3d打印用浆料进行多孔骨架3d打印；

40、将多孔骨架与纳米级导电材料的悬浮液混合，经干燥得到所述多孔导电材料。

41、根据第三方面的优选实施方式，其中，将多孔骨架与纳米级导电材料的悬浮液混合可以但不限于通过将多孔骨架浸没在纳米级导电材料的悬浮液的方式实现。

42、第四方面，本发明提供了第一方面提供的多孔导电材料作为压力传感层材料的应用。

43、第五方面，本发明提供了一种感压外壳，该感压外壳包括外壳本体和设置于外壳本体外表面的封装层，所述外壳本体围合形成腔体；其中，所述外壳本体的材料选用第一方面提供的多孔导电材料，且外壳本体的厚度为1mm-5mm；所述封装层的材料选用泊松比为0.45-0.55的不可压缩材料，且所述封装层的厚度不超过5mm。

44、本发明提供的感压外壳作为压力测量装置的外壳使用，除了具备常规外壳具有的保护功能之外还具备压力传感层所具备的感压功能。在静压环境中，压力对感压外壳的内部孔造成压缩，使得导电颗粒之间的连接加强，降低感压外壳的电阻。本发明提供的感压外壳不仅具有保护内部电子器件的作用，同时具有高灵敏性、大压力传感范围和测压范围可控的特性。

45、根据第五方面的优选实施方式，其中，所述封装层的材料选用泊松比为0.49-0.50的不可压缩材料。

46、根据第五方面的优选实施方式，其中，所述封装层的材料为柔性高分子材料；

47、进一步地，所述封装层的材料可以但不限于为硅胶材料或者橡胶材料。

48、根据第五方面的优选实施方式，其中，封装层使用的不可压缩材料与外壳本体使用的不可压缩材料可以为同一种也可以为不同种。

49、第六方面，本发明提供了一种压力测量装置，该压力测量装置包括本发明第五方面提供的感压外壳、设置于感压外壳的外壳本体围合形成的腔体中的电路组件以及电极；其中，所述电极设置于感压外壳的外壳本体内表面并与所述电路组件连接。

50、本发明提供的压力测量装置利用本发明提供的感压外壳与设置于感压外壳内部的电路组件相结合，实现将压力测量装置外部环境的围压物理信号转变为相应的电信号存储在电路组件中的存储装置中或者输送到外部装置中进行存储。其具有加工难度小、成本低的特点；同时具有高灵敏性、大压力传感范围和测压范围可控的特性可以实现高围压环境中的大量使用；还具有内部电子器件保护能力可以在一些恶劣环境中使用，例如油气井中。本发明提供的压力测量装置作为压力传感微型部件使用能够实现井下压力的传感与记录，为油气开采提供可靠的数据。

51、根据第六方面的优选实施方式，其中，所述电极可以但不限于使用铜电极。

52、根据第六方面的优选实施方式，其中，所述电路组件可以但不限于选用已有的以多孔导电柔性材料作为传感部件的传感器中使用的电路组件；例如，可以选用cn115127611a中实施例部分公开的电路板组件中除去传感模块之外的其余部分作为本发明压力测量装置的电路组件。

53、与现有技术相比，本发明提供的技术方案具备如下有益效果：

54、1、成本低能够满足大量使用的需求。

55、本发明提供的技术方案制备工艺简单且成熟，可以实现低成本工业化制备。

56、2、量程大、灵敏性高，能够满足包括井下围压在内的高压力、高精度检测需求。

57、本发明提供的技术方案通过调控以泊松比接近0.5的不可压缩材料作为骨架基质的多孔导电材料中不同尺寸孔隙的分布以及导电颗粒的分布，实现了材料的压力传感量程大、灵敏度高。

58、3、本发明提供的感压外壳能够和各种形状的压力测量装置进行结合。

59、本发明提供的感压外壳具有柔性结构，形状可调节范围大，能够实现与各种形状的压力测量装置匹配。

60、4、本发明提供的压力测量装置环境适应性好。

61、本发明提供的压力测量装置设置有感压外壳，具备大量程、高灵敏性压力传感性能的同时能够保护内部电子元器件，可以防止外部的腐蚀溶液进入到压力测量装置内部，使其能够用于恶劣环境中的高围压测试，例如油气井中的压力测试。